Состояние судебной и токсикологической химии

В период своего становления и развития токсикологическая хи­мия была связана главным образом с судебно-медицинской токси­кологией и называлась судебной химией. В соответствии с уровнем развития аналитической химии химико-токсикологические исследо­вания в период их зарождения (XVII в.) заключались в основном в определении запаха, вкуса, цвета вещества, частей растения или фо­рмы лекарства. Для установления ядовитости неизвестного вещества его скармливали тому или иному животному. В 1710 г. знаменитый нидерландский клиницист Герман Бурхаве (1668-1738) установил, что различные яды, «сгорая или испаряясь», издают столь же раз­личные, специфические для каждого из них запахи. Поэтому он пред­ложил класть вещества, в которых подозревают наличие яда, на пы­лающие угли и проверять их затем по запаху. Бурхаве считается первым из тех, кто попытался решить проблему обнаружения яда химическим способом.

О мышьяке было известно, что он не имеет особого запаха и может быть подмешан в любую пищу. Однако в 1775 г. Шееле установил, что белый мышьяк под воздействием добавленного в него хлора или «царской водки» преобразуется в мышьяковистую кислоту. Если же эта кислота приходит в соприкосновение с металлическим цинком, то получается чрезвычайно ядовитый мышьяковистый водород. Лет че­рез десять после этого Самюэль Ганеман обнаружил, что в жидкостях, в которых предполагается наличие мышьяка, последний выпадает в виде желтоватого осадка в случае добавления соляной кислоты и серо­водорода. Так сероводород стал необходимым реагентом для обнару­жения металлических ядов. В 1787 г. Иоганн Даниель Мецгер пока­зал, что если нагревать вещества, в которых предполагалось наличие мышьяка, и держать над парами этих веществ медную пластинку, последняя при наличии мышьяка покрывается беловатым налетом мышьяковистого ангидрида. Если же наполнить этим ангидридом стеклянную пробирку, добавить в нее древесный уголь и нагревать пробирку до воспламенения угля, то лары мышьяковистого ангидри­да при прохождении через уголь снова превращаются в мышьяк, ко­торый оседает на верхних, более прохладных, участках пробирки в виде черных металлических пятен (бляшек). Как говорил Торвальд Юрген: «Это были первые попытки проникнуть в мир ядов, необъят­ность которого никто еще не представлял, да и не мог представить».

В 1806 г. немецкий исследователь Валентин Розе (1762-1807) предпринял первые шаги по выявлению следов мышьяка в челове­ческом организме. Водное извлечение из внутренних органов он мно­гократно фильтровал, затем упаривал и получал осадок. В дальней­шем он проводил опыты с пробиркой и древесным углем по примеру Мецгера, в результате чего получал металлические бляшки — при­знаки мышьяка.

Начало эпохи судебной токсикологии было положено во Франции и связано с именем Матье Жозефа Бонавентуры Орфила (1787-1853), который родился на острове Минорка (Испания), учился химии и ме­дицине в Валенсии и Барселоне, самостоятельно изучил труды Лаву­азье и Бертолле. Орфила переехал в Париж и в 1811 г. стал доктором медицины. В 1813 г. он опубликовал «Трактат о ядах, или общую токсикологию». Этот труд был первым произведением международно­го значения, охватившим все, что было известно в ту пору о ядах. В 1817 г. вышел его второй труд: «Элементы прикладной химии в меди­цине и в искусстве». К 1819 г. Орфила стал уже профессором меди­цинской (позднее — судебной) химии Парижского университета. В 1823 г. вышло еще одно его произведение — «Лекции по судебной медицине». С тех пор он считался первым экспертом Европы по ядам. Работая с мышьяком, Орфила показал, что из желудка и кишечника животных мышьяк проникает в печень, селезенку, почки и даже в нервы. Орфила усовершенствовал метод Розе, однако новый метод обнаружения мышьяка разработал не он, а дотоле неизвестный анг­лийский химик, служащий Британского Королевского арсенала в Ву­лидже под Лондоном Джеймс Марш (1794-1846) в 1836 г.

В основу своей работы Марш положил эксперименты Шееле с возни­кновением мышьяковистого водорода. Марш пропускал это соедине­ние через изогнутую стеклянную трубку, где мышьяковистый водо­род снова распадался на водород и мышьяк, и металлический мышь­як можно было уловить и собрать. Данный способ, как оказалось впоследствии, был настолько чувствителен, что даже количество мы­шьяка порядка одной тысячной доли миллиграмма, введенное в ис­следуемую жидкость, было заметно в приборе в виде бляшек невоору­женным глазом. Этот способ вскоре завоевал всю токсикологию и в качестве метода обнаружения мышьяка стал незаменим. Наступил век научной судебной токсикологии.

Между тем, пока разрабатывались методы обнаружения мышья­ка, а также одновременно с ним сурьмы, свинца, ртути, фосфора, серы и других металло-минеральных ядов, естественные науки от­крывали все новые яды и даже создавали их.

Первое открытие сделал Сертюрнер, выделивший в 1803 г. из опия морфин, в 1809 г. Воклен из табака выделил никотин, в 1818 г. Кавенту и Пелетье обнаружили в рвотном орехе стрихнин, в 1819 г. — бруцин и вератрин. Пелетье совместно с Мажанди выделили из корня ипекакуа­ны алкалоиды эметин и цефалин. Рунге получил из кофе алкалоид кофеин, Гингер открыл кониин в болиголове. Майн в 1831 г. выделил из красавки атропин. В 1856 г. Лоссен получил действующее начало листьев коки и назвал его кокаином. Виланд изолировал алкалоиды лобелии, лобеланин, норлобеланин и другие соединения. В1869 г. фран­цуз Нативель из листьев наперстянки впервые выделил чрезвычайно ядовитый гликозид дигиталин, а Манних уже в XX в. получил кристал­лический строфантин. Затем были открыты еще сотни таких ядовитых алкалоидов, как гиосцин, гаосциамин, колхицин, аконитин и другие. Открытие этих веществ повлекло за собой постоянный рост числа совер­шаемых с их помощью убийств и самоубийств, причем растительные яды, в отличие от металло-минеральных, не оставляли в организме умер­шего следов, которые можно бы обнаружить. Все это заставило химиков-аналитиков заняться методами обнаружения растительных алкалоидов. К 1850 г. уже были разработаны цветные реакции, открывавшие мно­гие алкалоиды в организме отравленного.

Одним из ученых, занимавшихся проблемой выделения алкалои­дов из тел отравленных, являлся ЗКюв Серве Стае (1813-1891) — про­фессор Военной академии в Брюсселе, который в 1851 г. создал пер­вый метод обнаружения растительного алкалоида — в данном случае никотина из листьев табака — чем завоевал себе бессмертие в царстве химии и токсикологии. Пример Стаса показал, что появилась универ­сальная возможность обнаружения алкалоидов во внутренних орга­нах умерших. Поэтому химики начали поиск методов точного оп­ределения того, какой конкретно яд содержится в экстракте, получен­ном по методу Стаса. Тысячи экспериментов, проведенных в течение многих лет, привели к открытию большого числа реактивов, давав­ших характерную только для того или иного алкалоида окраску. Пионерами этого направления в токсикологии были такие ученые, как Вагнер, Витали, Драгендорф, Зонненштайн, Келлер, Марки, Мей-ер, Мерк, Мекке, Оливье, Пеллагри, Хуземан, Эрдман, Фреде. По­явились «реактив Марки», «реактив Фреде», реактив Мекке» и др. Если, например, добавить реактив Мекке (смесь селена с серной кис­лотой) к экстракту, который содержит морфин, то вначале соедине­ние приобретет оливково-зеленую окраску, которая превращается в голубовато-фиолетовую, а позже — снова в оливково-зеленую, но с красной каймой. Обработка такого же экстракта, но содержащего ге­роин, реактивом Мекке давала светло-голубую окраску с зеленоватой каймой, переходящую в оливково-зеленую.

Другая группа ядов обнаруживала свое присутствие с помощью «пробы Витали». Экстракт, приготовленный по способу Стаса, смешивали с серной кислотой, выпаривали и полученное сухое ве­щество смешивали с углекислым калием. Если при этом возникало фиолетово-голубое окрашивание, то оно свидетельствовало о нали­чии атропина, гиосциамина или гиосцина. Для доказательства на­личия того или иного конкретного алкалоида этой группы в свою очередь появились специальные пробы. Только небольшое количе­ство растительных алкалоидов не поддавалось идентификации с по­мощью цветных реакций. К ним относился аконитин, который мож­но было определить лишь попробовав на язык — он вызывал жаля-ще-парализующее ощущение. Некоторые же другие алкалоиды нельзя было обнаружить даже таким путем. Пробел в способах идентифика­ции ряда алкалоидов заставлял искать все новые методы. Одним из таких методов явилось обнаружение ядов физиологическим путем, который в 1863 г. предложил Огюст Амбруаз Тардье (1818-1879) — профессор судебной медицины из Парижа при выделении дигитали-на (сердечного гликозида наперстянки) из рвотных масс одной из жертв отравления. Доказательство причины смерти было получено в опытах на изолированном сердце лягушки, а затем и после введения экстракта из рвотной массы в кровоток собаке.

Особенно интенсивно исследования в области токсикологии разви­вались в XX в. В этот период заинтересованная общественность впер­вые узнала еще об одном новом способе идентификации растительных ядов, основанном на определении точек плавления алкалоидов и изуче­нии характера процесса плавления. Этот метод предложил Уильям Генри Уилкокс.

В первые десятилетия XX в. в связи с бурным развитием химико-фарма-цевтической промышленности были созданы искусственные синтетические продукты, похожие как по своему терапевтическому, так и по отравляющему эффекту на растительные алкалоиды или даже превосходящие их. Поток «синтетических алкалоидов» усилил­ся после 1937 г., когда во Франции были синтезированы первые ан-тигистамины — искусственные активные вещества против аллерги­ческих заболеваний всех видов — от астмы до кожной сыпи. Все это заставило судебных токсикологов искать новые методы обнаружения синтетических соединений в случае отравления.

Идентификация алкалоидов на основе определения точек их плав­ления получила свое дальнейшее развитие благодаря таким ученым, как Остеррайхер, Фижор, Брандштетер и Раймерс, а также Людвиг Кофлер — профессор фармакологии в Иннсбруке. Кофлер разрабо­тал аппарат для определения точек плавления, который позволял наблюдать плавление исследуемого вещества под микроскопом и одновременно засекать на термометре точку плавления этого веще­ства. Оригинальной идеей англичанина Э. Кларка явилось создание коллекции, состоящей из не менее чем пятисот кристаллических форм различных алкалоидов, которые давали возможность быстрого сравнения с ними под микроскопом кристаллов неизвестных объек­тов исследования.

Токсикологи стали все шире использовать физические методы ана­лиза. Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) совместно с немецким физиком Густавом Кирхгофом в 1859 г. разработали принципы спек­трального анализа и с помощью этого метода открыли два новых хи­мических элемента — цезий и рубидий. В это же время токсиколог датчанин Т. Гаунг и бельгиец Лакруа стали использовать в токсико­логии рентгеноструктурный анализ. Этот метод сделал возможным быстрое распознавание кристаллов многих алкалоидов, а через них и самих алкалоидов. Американцы У. Барнз, Б. Морвин, Габарино и У.А. Шеппард возглавили это направление и изучили характерные признаки, которые позволили идентифицировать значительное число алкалоидов.

После открытия русским ботаником М.С. Цветом (1906) хромато­графии этот метод с помощью англичанина А.С Кэрри триумфально вступил в область токсикологии. Бумажная хроматография в области обнаружения алкалоидов стала одним из самых надежных методов этой серьезной науки.

Во второй половине XX столетия опыт исследователей атома, очень быстро нашедший применение почти во всех отраслях науки, начал привлекать внимание токсикологов. Ученые Франции предприняли первые попытки с помощью радиоактивных элементов обнаруживать металлические яды и определять их количество. Их эксперименты касались в первую очередь обнаружения мышьяка в волосах — они делали его радиоактивным с помощью нейтронов, затем измеряли его излучение и по степени этого излучения определяли количество име­ющегося мышьяка. В Шотландии в г. Глазго на кафедре судебной химии в 1961 г. с помощью нейтронно-активационного анализа была разгадана тайна смерти Наполеона — содержание мышьяка в его воло­сах было не только повышено на один порядок против нормы, но максимальное его отложение в волосах совпало с периодом ухудше­ния здоровья императора именно в то время, когда Наполеон получил очередную порцию яда. Этот же метод позволил установить причину смерти английского короля Карла II Стюарта — в его волосах была обнаружена ртуть, но это не было преднамеренное отравление: король поплатился за свою приверженность алхимии.

Двадцатый век положил начало не только новым методам обнару­жения ядов, но и значительно увеличил производство ядовитых меди­каментов. В 1863 г. Адольф Байер получил барбитуровую кислоту. Спустя 40 лет Эмиль Фишер и Йозеф Фрайгер фон Меринг установи­ли, что производные барбитуровой кислоты (барбитал и фенобарби­тал) могут применяться как снотворные средства. В первое же десяти­летие после их открытия барбитураты стали использоваться как сред­ства самоубийства. Одновременно ученые нашли и точные методы обна­ружения барбитуратов и их продуктов распада, остающихся в орга­нах человека. Вслед за барбитуратами встала проблема транквилиза­торов, препаратов, которые воздействовали непосредственно на пси­хику чрезмерно возбужденных людей.

В XX в. Германия стала «химической державой Европы», присту­пила к разработке химического оружия и первая его применила в апреле 1915 г. Первыми боевыми отравляющими веществами были хлор с примесью горчичного и иных слезоточивых газов. Вслед за Германией химическое оружие применили Англия и США в боях на Сомме и у Арраса — это были хлор и фосген.

К концу Второй мировой войны Германия имела в своем распоря­жении более 12 ООО тонн эфира фосфорной кислоты (табуна) и более 400 тонн эфира фосфоновой кислоты (зарина).

Во время войны во Вьетнаме (1961-1971) от применения новых видов химического оружия пострадало более 2 млн человек. Основ­ным американским представителем химического оружия, которое при­менялось США во Вьетнаме, был диоксин — один из самых коварных ядов, известных человечеству.

Насыщение окружающей человека природной среды вредными веществами становится все более осознаваемой опасностью для нор­мальной жизнедеятельности и здоровья. К настоящему времени чело­вечество ввело в биосферу более 4 млн тонн ксенобиотиков (чужерод­ных для нее антропогенных веществ) и продолжает вводить по 6 тысяч тонн веществ ежедневно. Одно из первых мест по интенсив­ности загрязнения окружающей среды принадлежит пестицидам. Создаются новые вещества, необходимые в эпоху массового индустриального общества для его дальнейшего развития, но даю­щие в то же время в руки людей этой эпохи большое количество разнообразных ядов. Сфера токсикологической химии ныне распро­странилась чрезвычайно широко: от убийств, самоубийств, неясных случаев смерти до общих пределов нынешнего социального мира с

его повседневными возможностями отравления миллионов людей на их рабочих местах и даже в быту.

Одновременно в научных лабораториях появляются современные методы обнаружения ядовитых и сильнодействующих веществ, такие как разнообразные виды хроматографии и особенно тонкослойная и газовая. Развивается микрохимия, в частности микрокристаллоско­пия с кристаллооптикой, оптические методы анализа (фотоэлектроко-лориметрия и спектрофотометрия). Свое место занимают экстракцион­ные методы анализа, люминесцентный, электрохимический электродиализ, электрофорез, радиотехнические методы и т.д.